白 蕓，王文龍，2，黃鵬飛，李宏偉，王 貞，王正利，李 仁

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.江西省水土保持科學(xué)研究院 土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330029；4.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州310014；5.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310014；6.黃河水利委員會(huì) 西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅 慶陽(yáng)745000；7.吳起縣水土保持工作隊(duì)，陜西 吳起717600）

神府煤田是世界7大煤田之一，在中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展中占據(jù)舉足輕重的地位，自20世紀(jì)80年代大規(guī)模開發(fā)以來(lái)，在帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)跨躍式發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了一定的環(huán)境問(wèn)題。煤田開采過(guò)程中地表剝離形成的裸露地表會(huì)增加水土流失量［1］，礦渣堆積體會(huì)產(chǎn)生大量的徑流泥沙量［2］，尤其是露天開采，對(duì)地表土的剝離、堆積、填埋形成了大量的人為擾動(dòng)地面［3－4］，嚴(yán)重加劇了當(dāng)?shù)氐乃亮魇Я?。?jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于露天開采，每采1.00×104t煤炭就有0.06～0.13hm2的地面遭到擾動(dòng)，平均為0.08hm2。這種擾動(dòng)地面土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，顆粒松散，密度相對(duì)較小，極易被沖刷，所產(chǎn)生的水土流失屬于典型的人為加速侵蝕［4］。John E G等［5］通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)美國(guó)北達(dá)科他州西部露天煤礦水土流失研究后指出，煤礦開采過(guò)程中由于地面擾動(dòng)，表層土的產(chǎn)沙量是原始草地的360倍。隨著中國(guó)礦區(qū)開發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的水土流失日益嚴(yán)重，也有不少學(xué)者開始關(guān)注開發(fā)建設(shè)引起的水土流失問(wèn)題。但是這些研究主要集中在高陡邊坡和堆積體上［6－7］，對(duì)擾動(dòng)地面的研究基本都是采用放水沖刷［8－10］方法，鮮有采用野外人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)對(duì)礦區(qū)擾動(dòng)地面侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理及影響因素等方面的研究。因此，本文以神府東勝煤田原生地面與擾動(dòng)地面為研究對(duì)象，探討其產(chǎn)流、產(chǎn)沙規(guī)律及水動(dòng)力學(xué)特征，闡明不同下墊面在降雨條件下侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理，探索人為加速侵蝕過(guò)程中侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理及水動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化特征，為水土保持方案編制中水土流失預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

神府東勝煤田地處晉陜蒙3省交界處，地理坐標(biāo)為北緯37°20′—40°16′，東經(jīng)108°36′—110°36′。該區(qū)目前探明的含煤面積為31 171.97km2，探明儲(chǔ)量2.24×1011t。礦區(qū)地面組成物質(zhì)復(fù)雜，主要土壤類型有風(fēng)沙土、綿沙土、紅黃土，其總的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)疏松，極易風(fēng)化，抗沖抗蝕性極差。該區(qū)氣候?qū)儆诘湫偷母珊蛋敫珊荡箨懠撅L(fēng)性氣候，年降雨量分配不均勻，7—9月占全年降雨量的65%～70%，且多暴雨，暴雨量占當(dāng)年降雨總量的9.6%～33.4%，暴雨洪水侵蝕是礦區(qū)水蝕的主要特點(diǎn)，洪水輸沙量占全年輸沙量的97%以上。

該區(qū)植被主要是耐寒耐旱的小葉灌木、半灌木、沙生植被、草甸植被和鹽生植被，主要有天然及人工沙蒿（白沙蒿和黑沙蒿）、沙柳、沙竹、檸條、沙棘、黃薔薇、臭柏、酸棗及沙櫻桃等，沙地植被占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

1.2 試驗(yàn)小區(qū)概況

考慮到水源、理想下墊面和風(fēng)等自然條件的限制，原生地面小區(qū)選在一塊未經(jīng)人為擾動(dòng)的面積較大并且坡度合適的撂荒坡地上，植被蓋度均勻。擾動(dòng)地面選在煤礦附近的一個(gè)采石場(chǎng)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，地面破碎，塊石已被搬走，余留經(jīng)過(guò)采石后剩余細(xì)屑。小區(qū)大小為1m×3m（斜坡面積），周圍用5mm厚鋼板圍住。小區(qū)內(nèi)土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 擾動(dòng)地面與原生地面土壤理化性質(zhì)

1.3 野外人工模擬降雨試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)選在神木縣西溝鄉(xiāng)六道溝村煤礦附近，地點(diǎn)選取的是典型的神府東勝煤田開采區(qū)。在試驗(yàn)小區(qū)外圍，使用Φ48×3.5的電焊鋼管搭建臨時(shí)降雨棚，四周圍有防風(fēng)布，以盡量減小風(fēng)對(duì)降雨的影響。在垂直距離小區(qū)3m上方搭建下噴式降雨器。水源為山頂水窖，并在高于試驗(yàn)小區(qū)8m的地方放置2m3儲(chǔ)水箱，儲(chǔ)水箱中放置60m揚(yáng)程水泵用以提供動(dòng)力。降雨前把處理好的小區(qū)用防水塑料布遮蓋，率定雨強(qiáng)，率定誤差不超過(guò)5%。雨強(qiáng)率定完畢后，迅速掀開塑料布，記錄徑流起始時(shí)間，設(shè)計(jì)產(chǎn)流歷時(shí)45min，前3min每隔1min接1次徑流泥沙樣，3min后每隔3min接1次。降雨結(jié)束后量測(cè)徑流泥沙樣體積，過(guò)濾后用105℃的烘箱烘24h后稱重。坡面徑流寬度和深度用薄鋼尺量測(cè)，用以計(jì)算水力半徑。小區(qū)坡度為5°，10°，18°，降雨強(qiáng)度為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0mm／min這5個(gè)級(jí)別，每個(gè)試驗(yàn)設(shè)置重復(fù)1次，共計(jì)30場(chǎng)次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用Excel和SPSS 16.0完成。

2 結(jié)果與討論

在次降雨過(guò)程中，影響產(chǎn)流產(chǎn)沙因素分為降雨因素（降雨量、降雨強(qiáng)度、降水歷時(shí)）、下墊面因素（下墊面類型、前期含水量、坡度等）和人為活動(dòng)影響等。此次試驗(yàn)，嚴(yán)格控制降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、下墊面類型、坡度和人為活動(dòng)等影響。

一些學(xué)者［11－12］對(duì)黃土坡面降雨入滲的研究結(jié)果顯示，對(duì)同一質(zhì)地土壤，隨著土壤前期含水量增加，坡面徑流起始時(shí)間縮短，侵蝕產(chǎn)沙量增大。分析不同場(chǎng)次試驗(yàn)土壤前期含水量（表2），原生地面與擾動(dòng)地面間土壤前期含水量無(wú)顯著差異，p＝0.188＞0.05（表3）。因此，土壤前期含水量對(duì)后續(xù)試驗(yàn)產(chǎn)沙產(chǎn)流結(jié)果的影響予以忽略。

表2 各場(chǎng)次降雨土壤前期含水量

表3 原生地面與擾動(dòng)地面土壤前期含水量單因素方差分析結(jié)果

2.1 擾動(dòng)地面與原生地面徑流起始時(shí)間分析

徑流起始時(shí)間為降雨開始到小區(qū)全坡面開始產(chǎn)生徑流的時(shí)間。擾動(dòng)地面最長(zhǎng)徑流起始時(shí)間為82.03min，最短為 5.58min，原生地面的最長(zhǎng)為31.36min，最短為0.52min。兩種下墊面徑流起始時(shí)間均隨著雨強(qiáng)增大而縮短，隨坡度增大而縮短。

擾動(dòng)地面徑流起始時(shí)間較原生地面長(zhǎng)，是原生地面的1.8～11.7倍，其中大多（70%）在3倍以上，在坡度為10°，18°，降雨強(qiáng)度為3.0mm／min的暴雨條件下，徑流起始時(shí)間的增幅甚至達(dá)到10倍以上（圖1）。研究區(qū)內(nèi)暴雨多為A型暴雨，由局部強(qiáng)對(duì)流條件引起，具有小范圍、短歷時(shí)、高強(qiáng)度特點(diǎn)，降雨歷時(shí)一般為30～120min，最大30min降雨量占總降雨量的60%～100%，最大60min降雨量占總雨量的85%～100%［13］。區(qū)內(nèi)降雨歷時(shí)一般介于30～60min，故選取45min的降雨歷時(shí)為分界線，雨強(qiáng)為1.0mm／min，擾動(dòng)地面在3種坡度下均不產(chǎn)流，根據(jù)張漢雄［14］提出的黃土高原暴雨公式知，歷時(shí)為45min，強(qiáng)度為1.0mm／min的暴雨，重現(xiàn)期為15a。據(jù)此可推測(cè)，擾動(dòng)地面的土壤侵蝕一般是在長(zhǎng)歷時(shí)或大雨強(qiáng)下發(fā)生的。

圖1 擾動(dòng)與原生地面的徑流起始時(shí)間對(duì)比

2.2 擾動(dòng)地面與原生地面徑流分析

徑流率即為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)徑流小區(qū)斷面的徑流量。擾動(dòng)地面徑流率在0.16～4.92L／min，原生地面的在0.23～5.75L／min，均隨著雨強(qiáng)的增大而增大（圖2）。經(jīng)SPSS 16.0回歸分析，原生地面在5°（r2＝0.910，p＝0.015），10°（r2＝0.601，p＝0.123和18°（r2＝0.954，p＝0.004）與擾動(dòng)地面在5°（r2＝0.758，p＝0.055），10°（r2＝0.903，p＝0.013）和18°（r2＝0.923，p＝0.009）時(shí)，徑流率與降雨強(qiáng)度間呈顯著的線性相關(guān)。

兩種下墊面徑流率相比，總體上（70%）擾動(dòng)地面比原生地面的小5%～54.4%。分析兩種不同下墊面的容重和孔隙度得知，擾動(dòng)地面容重均值小于原生地面（1.19＜1.25g／m3），平均孔隙度大于原生地面（55.12%＞53.78%），擾動(dòng)地面土質(zhì)疏松、孔隙度大，入滲率比原生地面大，平均入滲深度比原生地面大（11.3＞8.4cm）。雖然植被可增強(qiáng)入滲，減小地面徑流率［15－16］，但在本試驗(yàn)中原生地面地表植被對(duì)入滲的增加作用略小于擾動(dòng)地面中擾動(dòng)對(duì)入滲增加的貢獻(xiàn)。經(jīng)SPSS 16.0分析知，兩種下墊面間徑流率差異不顯著（p＞0.05）。因此在本試驗(yàn)中原生地面植被與擾動(dòng)地面的擾動(dòng)對(duì)增加入滲的貢獻(xiàn)相當(dāng)。

圖2 擾動(dòng)與原生地面徑流率對(duì)比

2.3 擾動(dòng)地面與原生地面初始徑流含沙量分析

次降雨的初始徑流含沙量即為產(chǎn)流前3min內(nèi)所取3次徑流樣的含沙量平均值。擾動(dòng)地面初始徑流含沙量在1.28～34.3g／L，原生地面的在0.94～19.48g／L，兩種不同下墊面初始含沙量均隨雨強(qiáng)和坡度增大而增大，但相關(guān)性不顯著。不同坡度和雨強(qiáng)下徑流初始含沙量擾動(dòng)地面較原生地面大，前者是后者1.1～5.8倍，經(jīng)SPSS 16.0分析表明，兩種下墊面之間的差異顯著（p＝0.012）。說(shuō)明地面擾動(dòng)會(huì)明顯地使初始含沙量增大。

2.4 擾動(dòng)地面與原生地面徑流含沙量分析

原生地面的徑流含沙量值在1.18～11.66g／L，擾動(dòng)地面的在1.44～39.59g／L，兩種不同下墊面徑流含沙量均隨坡度增大而增大，隨雨強(qiáng)增大有增大趨勢(shì)。擾動(dòng)地面的徑流含沙量要明顯地高于原生地面，前者約是后者的1.2～6.3倍（圖3），存在極顯著性差異（p＝0.000）。經(jīng)分析知擾動(dòng)地面與原生地面間徑流率無(wú)顯著差異，但徑流含沙量存在極顯著差異，說(shuō)明擾動(dòng)地面較原生地面更易形成高含沙徑流。

2.5 擾動(dòng)地面與原生地面產(chǎn)沙量分析

擾動(dòng)地面的產(chǎn)沙量最小值為19.57g（5°，1.0mm／min組合設(shè)置），最大值為9 510.66g（18°，3.0mm／min組合設(shè)置）；原生地面的產(chǎn)沙量最小為9.48g（5°，1.0mm／min組合設(shè)置），最大為 3 562.72g（18°，3.0mm／min組合設(shè)置）。兩種下墊面產(chǎn)沙量均隨雨強(qiáng)增大而增大，隨坡度增大而增大。這是由于坡度增加，使徑流流速增大，并且在相同坡長(zhǎng)條件下水流用更短的時(shí)間流出小區(qū)，因此徑流量增加，從而徑流能量增大，使得徑流侵蝕能力增強(qiáng)，進(jìn)而產(chǎn)沙量上升。

圖3 擾動(dòng)與原生地面平均徑流含沙量對(duì)比

擾動(dòng)地面產(chǎn)沙量大于原生地面，是原生地面的2～12.7倍（圖4），呈極顯著差異（p＝0.000）。隨著坡度和雨強(qiáng)的增大，兩者之間差值變大。這是由于擾動(dòng)地面土壤疏松，土壤結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，土壤抗蝕性低，且無(wú)地表植被保護(hù)，抗沖性小，因此產(chǎn)沙量大，在大坡度條件下，擾動(dòng)地面易發(fā)生溝蝕，尤其在大雨強(qiáng)條件下，擾動(dòng)地面疏松的土壤在雨水長(zhǎng)時(shí)間浸泡下，變得更松軟易蝕，造成產(chǎn)沙量急劇增加。回歸分析顯示，擾動(dòng)地面與原生地面的產(chǎn)沙量與雨強(qiáng)及坡度之間均具有良好的線性關(guān)系。

圖4 擾動(dòng)地面與原生地面產(chǎn)沙量對(duì)比

2.6 擾動(dòng)地面與原生地面水流剪切力分析

水流剪切力是沿著坡面梯度方向運(yùn)動(dòng)的水流在其運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生的作用力。依據(jù)式（1）計(jì)算［17］：

式中：τ—水流剪切力（Pa）；γ——水的容重（N／m3）；R——水力半徑（m），根據(jù)試驗(yàn)中測(cè)得的流寬及流深數(shù)據(jù)計(jì)算；ρ——水的密度（kg／m3）；g——重力加速度（m／s2）；J——水力能坡（J＝tanθ，試驗(yàn)為直型坡，θ取小區(qū)坡度）。

水流剪切力的大小決定著水流對(duì)土壤剝蝕作用的強(qiáng)弱。擾動(dòng)地面水流剪切力在0.84～20.55N／m2，原生地面的在0.81～20.68N／m2；兩種不同類型下墊面水流剪切力隨雨強(qiáng)的增大有相同的增大趨勢(shì)（表4），但二者的值無(wú)顯著差異（p＞0.05）。

表4 不同場(chǎng)次擾動(dòng)地面與原生地面水流剪切力

利用SPSS 16.0對(duì)產(chǎn)沙量與水流剪切力間進(jìn)行回歸分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)沙量（M）與水流剪切力（τ）之間具有顯著的線性關(guān)系。原生地面的擬合關(guān)系為：

擾動(dòng)地面的擬合關(guān)系為：

由式（2）和式（3）知，原生地面的臨界抗剪力（τ0）為0.780N／m2，擾動(dòng)地面為0.132N／m2，原生地面的臨界抗剪力遠(yuǎn)大于擾動(dòng)地面，是擾動(dòng)地面的7.42倍。這是由于原生地面較擾動(dòng)地面容重大，土體密實(shí)；且原生地面的土壤黏粒含量較多，小于0.002mm的顆粒含量為4.89%，大于擾動(dòng)地面的1.38%，砂粒含量較小，0.05～2mm的顆粒含量為61.65%，小于擾動(dòng)地面的76.31%，加之地表有植被覆蓋，土壤的黏聚力大，因此，抗剪切力大。當(dāng)徑流剪切力大于土壤抗剪切力，土壤顆粒被徑流分離而發(fā)生侵蝕，此時(shí)的水流剪切力稱為臨界剪切力。在相同徑流條件下，擾動(dòng)地面水流剪切力更易達(dá)到侵蝕發(fā)生的臨界條件，從而產(chǎn)生侵蝕。

分析公式（2）和公式（3）亦知，當(dāng)水流剪切力大于0.780N／m2時(shí)，兩種下墊面均發(fā)生侵蝕，但相同的有效水流剪切力（即水流剪切力超過(guò)土壤抗剪切力的部分），在擾動(dòng)地面上產(chǎn)生的侵蝕量更大。單位有效水流剪切力，在擾動(dòng)地面引起的土壤侵蝕量為472.379g，在原生地面上為150.07g，擾動(dòng)地面是原生地面的3.15倍。同時(shí)，分析各場(chǎng)次降雨的水流剪切力發(fā)現(xiàn)，在相同降雨條件下，擾動(dòng)地面的水流剪切力在0.84～20.55N／m2，原生地面的在0.81～20.68N／m2，擾動(dòng)地面的有效水流剪切力更大（表4），且兩種下墊面在相同雨強(qiáng)條件下水流剪切力無(wú)顯著差異，因此，與原生地面相比，在雨強(qiáng)相同時(shí)，擾動(dòng)地面更易發(fā)生侵蝕，且一旦侵蝕發(fā)生，侵蝕量更大。

綜合上述，從侵蝕發(fā)生的機(jī)理上解釋在雨強(qiáng)相同時(shí)，一旦產(chǎn)生徑流，擾動(dòng)地面的侵蝕量更大的原因有以下兩個(gè)：（1）單位有效水流剪切力在擾動(dòng)地面上產(chǎn)生的土壤侵蝕量大于原生地面；（2）在相同雨強(qiáng)條件下，擾動(dòng)地面的有效水流剪切力大于原生地面，且第一個(gè)原因?yàn)橹饕颉?/p>

3 結(jié)論

（1）兩種下墊面的徑流起始時(shí)間均隨著坡度的增大而縮短，隨著雨強(qiáng)的增大而縮短，與原生地面相比，由于擾動(dòng)地面的土質(zhì)疏松，孔隙度大，徑流起始時(shí)間長(zhǎng)，是原生地面的1.8～11.7倍；徑流率小，較原生地面小5%～54.4%。

（2）擾動(dòng)地面一般在強(qiáng)降雨條件下才會(huì)發(fā)生侵蝕（降雨歷時(shí)為45min，暴雨重現(xiàn)率在15a以上），但是一旦發(fā)生侵蝕，在相同的降雨條件下，比原生地面更易被侵蝕，侵蝕強(qiáng)度更大。擾動(dòng)地面的初始徑流含沙量，平均徑流含沙量和產(chǎn)沙量均較大，分別是原生地面的1.1～5.8，1.2～6.3和2～12.7倍。

（3）兩種下墊面的產(chǎn)沙量與水流剪切力間均存在顯著線性相關(guān)，擾動(dòng)地面的臨界水流剪切力小于原生地面。在相同雨強(qiáng)條件下，擾動(dòng)地面的有效水流剪切力大于原生地面，且單位有效水流剪切力所產(chǎn)生的土壤侵蝕量，擾動(dòng)地面是原生地面的3.15倍，從發(fā)生機(jī)理上解釋了相同雨強(qiáng)下擾動(dòng)地面侵蝕量更大的原因。

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